JP2015535574A - 周期的に異なる溝を備えるピストンリング - Google Patents

Abstract

本発明は、外側の摺動面と、２つの側面と、内周面を備えるピストンリングに関する。ピストンリングの摺動面は、溝を含むプロファイルを有する。溝は、ピストンリングの断面において、２つの摺動面部分の間に配置されている。これら摺動面部分は、互いに対して離間した状態でほぼ凸状に湾曲すると共に、それぞれ頂点を有する。溝は、周期的に異なる深さ及び周期的に異なる幅を有し、深さ変化における周期数と、幅変化における周期数は等しい。【選択図】図２a

Description

本発明は、内燃機関又はコンプレッサ用のピストンリング、特に、周方向に延在する摺動面に配置され、かつ軸線方向において周期的に異なる頂点ラインを有するピストンリングに関する。

船舶用の最新かつ大容量エンジンには、依然として２ストロークディーゼルエンジンが使用されている。なぜならこのタイプのエンジンにおいては、速度が通常は約50rpm〜250rpmの範囲（基本的には100rpm未満）にあり、また気筒数に応じて出力が約100MWまで達し得るからである。好適には、このような大容量かつ低速動作の２ストロークエンジンは、プロペラシャフトに直接に作用するものである。これは、エンジンの回転速度に起因し、回転速度を減速させるための減速ギアが不要だからである。

このような大容量の２ストロークエンジンは、基本的に２つの油回路を有する。この場合、一方はエンジン潤滑用であり、他方はシリンダ潤滑用である。シリンダの潤滑により、十分な潤滑油が適切なタイミングで供給され、シリンダ表面及びピストンリングへの必要な潤滑が保証される。

シリンダ潤滑油は、機械の負荷に応じて、ライナを介してピストンチャンバ内に注入される。ピストンリングはこの潤滑膜、即ち支持面上を摺動するものである。この場合、注入される潤滑油を可及的に僅かとすることによりコストを抑えると共に、過度な潤滑を回避することが特に重要である。シリンダの潤滑は、例えば行程における上部３分の１において、潤滑油ポンプを使用することにより、例えばシリンダ壁の平面に設けられる潤滑油入口を介して供給されることで行われる。これにより、ピストン及びピストンリングの潤滑が可及的に最適化された状態で保証される。シリンダへのオイルの供給は通常、ガス・カウンタープレッシャー法を利用して行われる。

例えばこの場合、ノズルを介して正確な量の潤滑油をシリンダ内に注入する潤滑油注入システムを使用することができる。コンピュータ制御システムにより、ピストンの位置が記録された後、潤滑油がピンポイントで供給される。この場合の供給は高圧で行われることにより、潤滑油が極めて微細に噴射されるから、シリンダライナを可及的に均一に濡らしながらも、ピストンリングが配置された箇所及び摩擦が実際に生じる箇所をピンポイントで濡らすことができる。

最新かつ大容量の船舶用２ストロークエンジンが、2500mmまで達する行程で約50rpm〜250rpmの速度で動作することを考慮すれば、潤滑油の供給及び分布に利用できる時間は限られており、潤滑の質を保証する上で大きな問題である。例えば、シリンダの（内径）直径が900mmであり、オイルを供給するための入口がシリンダ壁の周方向に亘って均一に８個設けられている場合、供給されたオイルは、それぞれの入口を起点として、所定の時間内において周方向に約350mmの長さに亘って分布させる必要がある。

これまでに判明したところによれば、従来の構成とした１個以上のピストンリングの場合、周方向における潤滑油の分布は、圧力勾配が不十分であるために、全く得られないか又は極めて僅かしか得られない（最大で約３％）。

本発明のピストンリングは、船舶だけでなく全ての内燃機関への使用を意図するものである。

本発明の課題は、十分な潤滑条件において、オイル消費量が少ないのみならずブローバイが少なく、しかも安価に製造可能なピストンリングを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有するピストンリングによって解決される。

本発明によれば、ピストンリングの摺動面に関して、ほぼ凸状に湾曲した２つの摺動面部分に溝が配置されている。この溝は、周期的に異なる深さ変化及び周期的に異なる幅変化を周方向に有する。

このように形成されたピストンリングの摺動面は、溝及び対抗摺動面で形成されるキャビティ内に潤滑油を収容することができる。溝において周期的に異なる深さ変化及び周期的に異なる幅変化により、（特に、深さ変化及び幅変化に応じて周期的に異なる）流体力学的圧力が作動時に周方向に生じる。この流体学的圧力によって圧力勾配が生じ、潤滑油の流れ及び周方向における潤滑油の分布がもたらされる。周方向において、流体力学的にもたらされる潤滑油の分布により、必要な量が低減するだけでなく、周方向の溝に供給される潤滑油を更に均一に分布させることができる。

このようにして、均一な潤滑油による所望の支持面が周方向に得られる。これにより、十分な潤滑条件を保証してブローバイに対し可及的に均一な気密性を発揮する（又はブローバイを可及的に僅かにする）ことが可能になるだけでなく、潤滑油をピストンの作動方向に効果的に掻き落としてオーバーランが可能になる。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。

以下、本発明を添付図面の実施形態に基づいて詳述する。

本発明の実施形態に係るピストンリングにおける（半径方向への）第１断面図である。 本発明の実施形態に係るピストンリングにおける（半径方向への）第２断面図である。 図１におけるピストンリングの周方向に延在する摺動面の一部を示す平面図である。 図２aにおけるピストンリングの周方向に延在する摺動面の一部に関して、該摺動面に配置された溝の深さプロファイルの変化を示す説明図である。 図２aにおけるピストンリングの周方向に延在する摺動面の一部に関して、該摺動面に配置された溝の深さの変化を示す説明図である。 図２aにおけるピストンリングの周方向に延在する摺動面の一部に関して、該摺動面に配置された溝の幅の変化を示す説明図である。 図１におけるピストンリングの平面を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係るピストンリングの部分斜視図である。 図３aにおけるピストンリングの断面図である。 本発明の他の実施形態に係る溝の関数に従って描いた変化を例示する説明図である。 図４aにおける溝の深さ及び幅を示す説明図である。

図１は、本発明に係るピストンリング１を切断し、かつ周方向において互いに離間した２つの断面図を示す。好適にはコンプレッションリング及びオイルリングとして同時に機能すると共に、溝を備える図１に示す本発明に係るピストンリング１は、燃焼室に対して離間すると共にプロファイルが設けられた外側、換言すればプロファイルが設けられた摺動面３において、図１に略図で示す切り欠き又は溝２を備える。ピストンリング１は更に、燃焼室31に対向する側面５と、油室32に対向する側面６と、内周面７を備える。

上述した点及び以下に記載の点は、内燃機関、特に２ストローク内燃機関のピストンに使用するためのピストンリング１に関連するものだが、当業者にとって、本発明の実施形態に係るピストンリングがコンプレッサにも使用できることは自明である。

摺動面３は、２つの部分に分割されたプロファイルを有する。摺動面プロファイルの第１部分10はほぼ凸状に湾曲し、第２部分もやはりほぼ凸状に湾曲している。凸状に湾曲したこれら２つの部分10，12それぞれは、断面で見た場合に、外周に沿って延在する頂点B1，B2又は頂点ライン11，13を含む。

好適には、凸状に湾曲した２つの部分10，12における摺動面プロファイルは、図１a及び図１bに示すように、ピストンリング１の中心面に対して対称的（鏡面対称的）とする。ただし本発明は、凸状に湾曲した２つの部分10，12を対称的に構成することに限定されるものではなく、これら２つの部分10，12の摺動面プロファイルは、中心面に対して平行な面に関して、対称的（鏡面対称的）又は非対称的に構成できることに留意されたい。

摺動面プロファイルの凸状に湾曲した第１部分10は、ピストンリング１の摺動面３の軸線方向における広がりの０％〜33％の範囲に形成するのが好適であり、更に第１部分10の頂点B1は、基本的にはピストンリング１の摺動面３の軸線方向における広がりの約25％±５％に形成するのが好適である。

摺動面プロファイルの凸状に湾曲した第２部分12は、ピストンリング１の摺動面３の軸線方向における広がりの66％〜100％の範囲に形成するのが好適であり、更に第２部分12の頂点B2は、基本的にはピストンリング１の摺動面３の軸線方向における広がりの約75％±５％に形成するのが好適である。

周方向における頂点ライン11，13領域において、ピストンリング１は、シリンダライナなどの対抗摺動面30に対して、燃焼室31からのブローバイを回避するために気密性を発揮するものである。ピストン運動により、ピストンリング１及び対抗摺動面30の間に流体力学的油膜が生じ、これら部分間に十分な潤滑が保証される。断面図において、周方向に延在する頂点ライン11，13は、頂点B1，B2として表されている。

凸状に湾曲した部分10，12の間には、切り欠き又は溝２が延在している。この場合に溝２は、周方向に異なる幅Ｂ及び深さＴを有する。図１aは、最大幅B_max及び最小深さT_minを有する溝２の（半径方向への）第１断面図を概略的に示し、図１bは、最小幅B_min及び最大深さT_maxを有する溝２の（半径方向への）第２断面図を概略的に示す。

切り欠き又は溝２は、潤滑油を受け取るために設けるものである。異なる深さＴ及び幅Ｂは、ピストンの作動中に生じる流体力学的圧力に起因する圧力勾配により、周方向の溝における潤滑油に関して好適には均一な流れが生じる構成とされている。特に、周方向において、異なる深さ変化によって交互に形成されたピーク（小さい又は最小深さ）及びトラフ（大きな又は最大深さ）により、流体力学的圧力及び圧力勾配が生じることで潤滑油の均一な流れが保証される。

更に留意すべきは、本発明に係るピストンリング１は一体的に構成されていることである。即ち、ピストンリング１の溝２は、半径方向における広がりに比べてより小さな最大深さTmaxを有し、従って潤滑油が内周面７方向に向けてピストンリング１を通過することはない。

ピストンリング１の断面図における重心Ｓは、ピストンリング１の摺動面３の軸線方向における広がりに関して、２つの頂点B1及びB2間の平面に位置している。これにより、静的状態にあるピストンリング１は、２つの頂点B1，B2により対抗摺動面30に当接し、場合によってはピストンリング１及び対抗摺動面30間の薄い油膜（図示せず）により、対抗摺動面30から最小限に離間することが保証される。

図２aは、本発明に係るピストンリング１の周方向に延在する摺動面３の一部を示す平面図である。図示の摺動面３の一部においては、溝２の幅変化及び２つの頂点ライン11，13が概略的に表されている。この場合に溝２の幅Ｂは、最大幅B_max及び最小幅B_minの間で異なっている。溝２は、周方向位置Ａ及びＣにおいては最大幅B_maxを有するのに対して、周方向位置Ｂにおいては最小幅B_minを有する。

図２aに示す溝２は、該溝を画定すると共に、幅を規定する２つの外側境界線15，16によって表されている。図２aは更に、切断位置Ａ，Ｂ及びＣを示す。図１aの断面図は、位置Ａ又はＣを切断することで得られるのに対して、図１bの断面図は、位置Ｂを切断することで得られる。

図２b及び図２cは、図２aに示す溝２を含む摺動面３の一部に関して、溝２の深さプロファイル又は深さＴ変化を示す。この場合に溝２の深さＴは、最小深さT_min及び最大深さT_maxの間で異なっている。溝２の幅Ｂ変化及び溝２の深さプロファイルの変化は、関連している。即ち、溝２が最大幅B_maxを有するときに該溝２は最小深さT_minで形成され、溝２が最小幅B_minを有するときに該溝２は最大深さT_maxで形成されている。図２bに示す深さプロファイルの変化において、周方向位置Ａ〜Ｃは対応するように示され、また溝２の互いに関連する幅及び深さプロファイルの変化が表されている。

図２eは、ピストンリング１の平面を示す。このピストンリングの平面には、図２a〜図２cにおける周方向位置及び切断位置Ａ〜Ｃが表されている。ピストンリング１の摺動面３における溝２の幅及び深さは、ピストンリング１の外周に亘って周期的に異なっている。図２eは、例示的に６の周期性を示す。このことは即ち、図示の例示的な実施形態において、ピストンリングの周方向における周期角がφ＝60°であることを意味する。好適には、溝２の幅Ｂ及び深さＴにおける変動の周期は、４（φ＝90°）〜36（φ＝10°）を含む範囲とする。好適には、この場合の周期は整数とし、特に同数とする。

この点に関して、溝２の深さ及び幅に関する周期数は、例えばガス・カウンタープレッシャー法によって潤滑油がシリンダ内に注入される入口又はノズルの個数に一致させられることに留意されたい。例えば、周期数は、入口又はノズルの個数に等しくするか、又はその整数倍とすることができる。

図３a及び図３bは、ピストンリング１に関する本発明の他の例示的な実施形態を示す。この場合の周期角はφ＝30°である。

図１及び図２に示すように、溝２は、対称的（鏡面対称的）に形成するか、又はピストンリング１の中心面に対して非対称的に形成することができる（図示せず）。図１及び図２（軸線方向における広がりのほぼ50％）に示すように、溝２は、ほぼ中心、即ちピストンリング１の軸線方向における広がり及び中心面のほぼ中心に延在する。代替的には、溝２は、ピストンリング１における中心面の外側に配置してもよい。

好適には、頂点ライン11，13は、ほぼ円上に位置し、該円の平面はピストンリング１の平面に対して平行である（図２a参照）。代替的には、頂点ライン11，13の少なくとも１つは、溝２から離間した状態で又は溝２に合わせた状態で、該溝２の幅変化に追随するように延在させてもよい。従って例えば、頂点ライン11，13は、溝２の外側境界線15，16に一致させることができる。即ちこの場合、溝２の幅は、２つの部分10，12の頂点ライン11，13によって画定される。

好適には、溝２の幅Ｂ及び深さＴは一定であり、更に、それぞれ周期的かつ一定の関数で表すことができる。特に、溝２の幅Ｂ及び深さＴは、それぞれ周期的かつ微分可能関数で表すことができる。このことは、例えば境界線15，16が角関数、例えば周方向角φ及び周期数kの関数として表すことができることを意味する。即ち、


である。

溝２の幅Ｂ及び深さＴは、同様に例えば以下の角関数で表すこともできる。即ち、


である。

図４a及び図４bは、理解を容易にするために、上述した例示的な関数を示す。

本発明に係るピストンリングは、特に直径が400mmを超えるシステムにおけるピストンに使用されるものである。

好適には、本発明に従って構成されたピストンリングは、大容量の２ストロークエンジンなどの内燃機関又はコンプレッサ用のピストンにおけるピストンリング溝に使用することができる。本発明に関して判明したところによれば、既知の構成に比べて、オイル消費量のみならずブローバイも大幅に低減可能である。従って本発明により、構成及び製造に関して、十分な潤滑条件を保証しつつブローバイ及びオイル消費量の点に優れた、内燃機関又はコンプレッサ用のピストンにおけるピストンリングを得ることができる。

本発明の更なる態様によれば、溝の位置は周期的に異なる。

例示的な実施形態によれば、物理値は以下のとおりとする。即ち、リング600mm、溝幅１〜３mm（軸線方向高さ16mm）溝深さ0.2mm〜0.7mm（半径方向における壁厚19.5mm）である。

１ ピストンリング
２ 切り欠き又は溝
３ ピストンリングの摺動面（燃焼室に対して離間している外側）又は外周面
５ 燃焼室に対向する側面
６ 油室に対向する側面
７ 内周面
10 凸状に湾曲した摺動面プロファイルの第１部分
11 第１頂点ライン
B1 第１頂点ラインの頂点
12 凸状に湾曲した摺動面プロファイルの第２部分
13 第２頂点ライン
B2 第２頂点ラインの頂点
Ｓ 重心
20 第１頂点又は第１頂点ラインの当接点
21 第２頂点又は第２頂点ラインの当接点
15 溝の第１境界線
16 溝の第２境界線
30 対抗摺動面（例えばシリンダライナ）
31 燃焼室
32 油室
Ｔ （周期的に異なる）切り欠き又は溝の深さ
Ｂ （周期的に異なる）切り欠き又は溝の幅

Claims (12)

1. 外側の摺動面（３）と、２つの側面（５，６）と、内周面（７）を備えるピストンリングであって、前記摺動面（３）は溝（２）を含むプロファイルを有し、前記溝（２）は、前記ピストンリング（１）の断面に関して、２つの摺動面部分（10，12）の間に配置され、前記摺動面部分（10，12）は、互いに対して離間した状態でほぼ凸状に湾曲すると共に、それぞれ頂点（B1，B2）を有しているピストンリングにおいて、
   前記溝（２）は、周期的に異なる深さ（Ｔ）及び周期的に異なる幅（Ｂ）を有し、深さ（Ｔ）変化における周期数と、幅（Ｂ）変化における周期数は等しいことを特徴とするピストンリング。
2. 請求項１に記載のピストンリングであって、深さ変化の周期数及び幅変化の周期数は、整数であることを特徴とするピストンリング。
3. 請求項１又は２に記載のピストンリングであって、前記溝（２）は、最小幅（B_min）を有するときに最大深さ（T_max）を有し、最大幅（B_max）を有するときに最小深さ（T_min）を有していることを特徴とするピストンリング。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記溝（２）の中心は、前記２つの摺動面部分（10，12）の頂点ライン（B1，B2，11，13）に関してほぼ中央に位置し、特に前記ピストンリング（１）の軸線方向における広がりに関して、中央部に延在していることを特徴とするピストンリング。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のピストンリングであって、ほぼ凸状に湾曲した前記２つの摺動面領域は、前記ピストンリング（１）の軸線方向における広がりに関して、対称的に配置されていることを特徴とするピストンリング。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記溝（２）は、前記ピストンリング（１）における前記摺動面（３）を平面図で見た場合に、ほぼ対称的に形成されていることを特徴とするピストンリング。
7. 請求項１〜５の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記溝（２）は、前記ピストンリング（１）における前記摺動面（３）を平面図で見た場合に、ほぼ非対称的に形成されていることを特徴とするピストンリング。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記溝（２）の幅（Ｂ）は、前記ピストンリング（１）の軸線方向における広がりに対して、約x％〜y％の範囲にあることを特徴とするピストンリング。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記溝（２）の深さ（Ｔ）は、半径方向における広がりに対して、約x％〜y％の範囲にあると共に、約x μm〜y μmの幅にあることを特徴とするピストンリング。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記溝（２）は、前記ピストンリングにおける前記摺動面において、ほぼ凹状に形成されていることを特徴とするピストンリング。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載のピストンリングであって、前記２つの摺動面部分（10，12）の前記頂点（B1，B2）は、対抗摺動面（30）の平面に対して平行であると共に、半径方向における同一の平面内にほぼ位置していることを特徴とするピストンリング。
12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載のピストンリングであって、深さ変化及び幅変化の周期数は、４〜36の範囲にあることを特徴とするピストンリング。